Valor pH, conductividad y titulación en el análisis de

control ambiental
Valor pH, conductividad y titulación
en el análisis de agua y suelo
Metrohm International Headquarters, Herisau, Suiza.
Impacto en el entorno
E
l crecimiento vertiginoso de la población mundial se
traduce en un fuerte aumento del consumo de energía y de la producción de bienes de consumo y productos químicos. Según estimaciones, existen en el mercado
alrededor de 17 millones de compuestos químicos, de los cuales solo unos 100.000 se producen a escala industrial. Muchos
de estos componentes pasan al medio ambiente y deben ser
identificados.
La importancia del análisis medioambiental
Las sustancias introducidas en el entorno se reparten entre los
compartimentos ambientales agua (hidrosfera), suelo (pedosfera), rocas (litosfera) y aire (atmósfera) y en los organismos
que los habitan (biosfera).
Los efectos de las actividades humanas sobre el medio ambiente son complejos, y para analizarlos se necesitan métodos
sensibles e instrumentos eficaces.
Solamente si conocemos el tipo y la cantidad de esta carga ambiental podemos proteger al ambiente y sus habitantes. Para
ello contamos con normas reconocidas a escala internacional
que fijan los valores límite y los métodos de control aplicables.
En este contexto la medición del valor pH, de la conductividad,
así como también la titulación desempeñan un papel importante. Ambos, el valor pH y la conductividad son parámetros
que también pueden ser considerados como parámetros de
suma, ya que caracterizan propiedades químicas, físicas o
técnicas de LABORATORIO
químico-físicas de diferentes componentes. El valor pH es una
medida de la acidez o alcalinidad de una solución acuosa y provee una información importante sobre los procesos químicos
y biológicos de la muestra. Notablemente, el valor pH permite conclusiones sobre la disponibilidad biológica, movilidad y
toxicidad de contaminantes (por ejemplo, metales pesados en
suelos). La conductividad eléctrica indica la cantidad de sales
inorgánicas disueltas en el agua (por ejemplo, la salinidad), y
es por eso un indicador rápido y económico para evaluar el
alcance de la contaminación.
La dureza, alcalinidad, acidez, y el potencial de oxidación química de los componentes del agua son otros parámetros de
suma adicionales e importantes, que son necesarios para una
primera estimación del riesgo. En comparación con los parámetros físicos medidos directamente como valor pH y conductividad, la dureza, alcalinidad, acidez o potencial de oxidación
química son determinados mayormente por titulación potenciométrica. Mientras que la determinación de la dureza y de
la alcalinidad implica una titulación complejométrica y ácidobase, respectivamente, la determinación del potencial de oxidación química de la materia orgánica disuelta requiere una
titulación redox de los oxidantes previamente añadidos: mas
allá de estos ejemplos, la titulación incluye la determinación de
componentes individuales como en el caso de amonio, cloruro,
fluoruro, o sulfuro (Tabla 1). Aunque los métodos analíticos
instrumentales tengan muchas ventajas, la titulación no ha
perdido ninguna de sus atracciones. Es un método directo, fácil, rápido y versátil, con un precio favorable y que es idealmente apto para la automatización. Sus resultados reproducibles y
correctos fácilmente compiten con aquellos de los métodos sofisticados, razón por la cual numerosos métodos de titulación
son enumerados en las normas internacionales.
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se contamina con todos tipos de sustancias. La Organización
Mundial de la Salud (OMS) ha fijado valores de referencia para
200 sustancias contenidas en el agua.
Este artículo se centra en la determinación completamente automatizada de la demanda química de oxígeno en muestras de
agua cumpliendo al mismo tiempo con las exigencias de las normas pertinentes. Además, se describe la medición directa del
valor pH y de la conductividad eléctrica en muestras de suelo.
Por ello el agua está regulada por un gran número de leyes,
normas y prescripciones en la mayoría de los países (Tabla 1).
Por regla general, la preparación de las muestras no es necesaria en el caso del agua potable, pero es casi ineludible cuando
deben analizarse muestras de aguas residuales.
1. Agua: contiene más de lo que nos gustaría
En sus diversos estados físicos el agua está presente en todas
las esferas. Es el compartimento ambiental que se analiza más
fácilmente y con mayor frecuencia, pues, a diferencia del aire o
del suelo, existe ya en fase líquida.
Según el poder oxidante del agente de oxidación utilizado,
se diferencia entre el índice de permanganato y la demanda
química de oxígeno (DQO). El primero es un parámetro más
informativo en el caso de muestras no contaminadas o prácticamente no contaminadas, mientras que la demanda química
de oxígeno es más apropiada para muestras con una fuerte
carga contaminante.
En sus usos como alimento y fuente de energía, para el riego, como medio de dilución, de limpieza o de refrigeración así
como vía de transporte y corriente de agua receptora, el agua
Parámetro
a) Parámetros físicos
EPA 150.1
Matriz
Agua de mar
Agua potable Conductividad
EPA 120.1
Agua de mar
Agua potable
b) Parámetros generales
Agua de mar
EPA 310.1
Agua residual
ISO 6060
Demanda química
ISO 15705
Agua potable
de oxígeno
ASTM D 1252
Agua de mar
(DQO)
DIN 38409-44
Agua residual
EPA 410.1/410.3
ISO 8467
Agua potable
DIN 38409-5
Agua superficial
Índice de permanganato
EN ISO 9963
Agua potable
DIN 38406-3
c) Cationes y aniones
EPA 350.2
Amoníaco
Cloruro
Cloro libre
Fluoruro
Sulfuro
conductividad
Titulación
Titulación
Titulación
EPA 130.2
Ca, Mg (dureza)
Medida de
Agua residual
Medida del pH
Agua residual
DIN EN 27888
Alcalinidad como CaCO3
Método
Agua potable
DIN 38404-5
Valor pH
Norma
Titulación
Titulación
DIN 38405
Agua potable
EPA 325.3
Agua residual
EPA 330.1
Agua en general
Titulación
ASTM D 3868
Agua potable
Titulación
EPA 340.2
Agua residual
Titulación, ISE
Agua en general
Titulación
ASTM D 4658
EPA 376.1
Titulación
Tabla 1. Selección de normas internacionales importantes para la determinación de parámetros físicos y generales del agua
así como de las concentraciones de cationes y aniones.
técnicas de LABORATORIO
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El consumo de permanganato
se determina por adición
de un exceso de oxalato de sodio
y titulación por retroceso
del oxalato consumido
con la solución de permanganato.
Demanda química de oxígeno
según DIN 38409-44 y ASTM D 1252
Figura 1. Sistema Mati13 para la determinación totalmente
automática del índice de permanganato.
Índice de permanganato
según DIN EN ISO 8467
El índice de permanganato determina la parte fácilmente oxidable de las sustancias orgánicas contenidas en el agua y es,
además, el parámetro utilizado para evaluar la carga orgánicoquímica de aguas no contaminadas o con un bajo grado de
contaminación. Para su determinación, la muestra de agua se
calienta durante 10 minutos con ácido sulfúrico y un exceso
de la solución de permanganato de concentración conocida
en un baño de agua hirviendo. A continuación, el consumo de
permanganato se determina por adición de un exceso de oxalato de sodio y titulación por retroceso del oxalato consumido
con la solución de permanganato. El índice de permanganato
se expresa como la cantidad de oxígeno en mg/L que sería
necesaria para la oxidación.
La demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro que
mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por
cromato, contenidas en un determinado volumen de agua. El
cromato es un agente oxidante mucho más fuerte que el permanganato, razón por la cual también oxida totalmente prácticamente todos los compuestos orgánicos a CO2. En las plantas
de tratamiento de agua, el valor DQO es un dato importante
para determinar la capacidad de depuración de los equipos.
Para la determinación volumétrica de la demanda química de
oxígeno se calienta la muestra de agua con dicromato de potasio durante un tiempo definido. Después, se titula por retroceso el dicromato de potasio restante con sulfato ferroso
amónico (sal de Mohr).
La oxidación de las sustancias contenidas en el agua tiene lugar
en un calentador especial para DQO con dispositivo de condensación a reflujo o bien en un recipiente de reacción cerrado
y con una fuente de calor externa. La titulación se realiza directamente en los recipientes de reacción, sin que sea necesario
trasvasar el contenido a otros recipientes. De esta forma se evitan pérdidas de la muestra y se ahorra un valioso tiempo, sobre
todo cuando se debe analizar un elevado número de muestras.
2) Suelo: sistema complejo de múltiples fases
Figura 2. Análisis volumétrico del índice de permanganato,
consumo de oxalato frente al potencial del electrodo medido.
técnicas de LABORATORIO
La pedosfera es la capa más exterior de la Tierra, una zona
límite muy compleja, en la que coexisten la litosfera, la hidrosfera, la atmósfera y la biosfera. La pedosfera es un sistema de
múltiples fases compuesto principalmente de sustancia mineral
así como de partes más o menos iguales de aire y agua del
suelo y un menor porcentaje de materia orgánica. El suelo es
la fuente de agua y nutrientes para las plantas, el hábitat de
un gran número de organismos y un importante depósito de
carbono. Las sustancias nocivas que contiene provienen generalmente de la erosión por el agua y el viento, de la explotación
del suelo y del aire.
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Parámetro Norma
Preparación de muestrasTipo de detección
Reactivo
Valor pH
ISO 10390
Suspensión
Medición directa
–
Valor pH para determinar el comportamiento de lixiviación DIN CEN/TS 14997
de compuestos inorgánicos de residuos Conductividad
ISO 11265
Ajuste continuo del valor
pH para investigar la
dependencia de la
lixiviación del valor pH
Suspensión
Medición directa
(con análisis directo del eluato)
–
Medición directa
–
Carbono orgánico total (COT) –
según Walkley-Black
Digestión de
K2Cr2O7/H2SO4
Óptica con difenilamina-sulfonato 1 mol/L FeSO4
de bario
(ácido)
Aluminio
Extracción
Óptica, fenolftaleína
–
La muestra de suelo se
Contenido de carbonato
agita con 0,2 mol/L de
según Piper
a) fotométrica con fenolftaleína
HCl y se deja reposar;
(conocido también como
–
b) fenolftaleína,
10 mL del sobrenadante
método de titulación rápida
titulación SET a pH 7,8
se titulan por retroceso
o de neutralización de ácidos)
con NaOH
a) fotométrica con fenolftaleína
Acidez
Intercambio de iones con
b) potenciométrica,
“Exchangeable acidity” (H+Al)
–
1 mol/L de KCl
titulación SET a pH 7,6
Cianuro total y cianuro total a) fotométrica con fenolftaleína
ISO 11262
Destilación
fácilmente disociable
b) potenciométrica
Aniones solubles Extracción con agua
carbonato/bicarbonato
–
Titulación SET a pH 8,4 y 4,4
destilada exenta de CO2
(alcalinidad)
Aniones, por ej., F-, Cl-
–
Suelo
Titulación
0.02 mol/L de NaOH
0.1 mol/L de NaOH
0.025 mol/L de NaOH
0.005 mol/L de AgNO3
0.1 mol/L HCl
Diversos
Tabla 2. Parámetros importantes del suelo - visión general
Las sustancias contaminantes del suelo acceden fácilmente a
nuestro organismo a través de los vegetales y animales que
nos sirven de alimento. Los componentes del suelo son muy
difícilmente accesibles y no es fácil movilizarlos. Las muestras
de suelo se preparan generalmente por extracción y digestión.
Valor pH del suelo – la reacción del suelo
según ISO 10390
Un método sencillo para determinar el valor pH se describe
en la norma ISO 10390. Ello describe la suspensión de una
muestra de suelo, secada al aire (con una malla de un máximo
de 2 mm), en agua destilada y medición subsiguiente. Alternativamente, la extracción puede ser realizada utilizando una solución 0,01 molar de CaCl2, o 1 molar de KCl. Los cationes en
estas soluciones desplazan a los protones, que son absorbidos
por la columna de intercambio iónico del suelo tan cuantitativamente cuan fuese posible.
El valor pH de una muestra de suelo es el parámetro que se
debe determinar con más frecuencia en el análisis de suelos,
pues permite identificar la llamada “reacción del suelo” y permite clasificar los suelos según su grado de acidez y alcalinidad.
Este parámetro informa sobre el efecto de ácido o base de la
solución de suelo. Este, a su vez, es sumamente importante
para la disponibilidad de nutrientes y la actividad microbiana
del suelo. Por ejemplo, muchos metales (oligoelementos) tienen una mayor movilidad en suelos ácidos. En los suelos con
muy bajos valores del pH se pueden alcanzar rápidamente límites tóxicos que dañan las raíces de las plantas. En cambio,
altos valores del pH provocan una inmovilización que conduce
rápidamente a una falta de oligoelementos.
técnicas de LABORATORIO
El valor pH de una muestra de suelo
es el parámetro que se debe determinar
con más frecuencia en el análisis
de suelos, pues permite identificar
la llamada “reacción del suelo”
y permite clasificar los suelos según
su grado de acidez y alcalinidad.
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Determinación de la conductividad eléctrica
de muestras de suelo según ISO 11265
La determinación de la conductividad eléctrica informa sobre el contenido de sales disueltas en los suelos y permite
sacar conclusiones sobre la posibilidad que tiene el agua del
suelo de movilizar minerales en el suelo.
Para determinar la conductividad eléctrica se agita una determinada cantidad de una muestra de suelo, previamente
secada, con un volumen definido de agua destilada, tras lo
cual se realiza directamente la medición.
Conclusión
Cada programa de monitoreo de la calidad del agua y suelo
consiste en determinar las propiedades físicas y químicas,
siendo el valor pH y la conductividad los más importantes.
Además de estas mediciones directas, la titulación es una
herramienta potente para la determinación rápida y precisa
de parámetros de suma importantes, tales como dureza, alcalinidad, acidez o la demanda de oxígeno.
Particularmente en muestras complejas de agua y suelo, la
deteminación directa de un simple parámetro de suma frecuentemente evita un análisis de varios componentes singulares y de tiempos prolongados. Sin embargo, en algunos
casos se requiere la concentración de componentes individuales. También aquí la titulación es el método predestinado por excelencia, desde el análisis de amonio pasando por
el análisis de haluros y cianuro hasta la determinación de
sulfuro. Más aún, porque la titulación es bien apta para la
automatización.
Referencias
1. Environmental analysis - Quality control of water, soil, and
air, Metrohm brochure, Article no. 8.000.5044EN (se puede descargar de www.metrohm.com/com/Applications/
Industry.html; busque por 8.000.5044EN)
2. R. Reeve, Introduction to Environmental Analysis, John
Wiley & Sons, Chichester, UK (2002).
3. C. Zhang, Fundamentals of environmental sampling and
analysis, John Wiley & Sons, Hoboken, USA (2007).
4. W. Kleiböhmer, Environmental Analysis, Volume 3 (Handbook of Analytical Separations), Elsevier Science B.V.,
Amsterdam, The Netherlands.
www.metrohm.es